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à la demande générale de Philippe Stee le titre de l'exposé est. Nulling pour les Nuls. extension immédiate du sujet et autre titre possible Nulling Et Coronographie. reflexes terminologiques appropriés nulling : penser à interferences destructives - PowerPoint PPT Presentation
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2reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
reflexes terminologiques appropriés
nulling : penser à interferences destructivescoronographie : penser à élimination de lumière on-axis
mais en fait tout ça se rattache à des affaires de cohérence de la lumière
à la demande générale de Philippe Steele titre de l'exposé est
Nulling
pour les Nuls
extension immédiate du sujet et autre titre possible
Nulling Et Coronographie
3reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
le plan
motivation science et illustrations
contraintes "mission"
rappels sur principe ( instrumentation)
difficultés, limitations, évaluation de performances
situation à la date ( cas restreint) nulling Darwin & TPF-I corono CIA
4reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
motivation science
et illustrations
5reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
corono-science : origine et évolution, bref aperçu
couronne solaire 1939 : coronographe de Lyot
coronographie stellairetransposition de la technique de Lyotconcepts emergents dédiéschamps de recherche toujours actif
extension vers l'interférométrie"nulling interferometry"
Bracewell (1972??)et la suite... avec ESO, ESA, NASA....
sémantique :étymologie brute : corono_graphie représentation de la couronnenéologisme introduit par B Lyot pour l'étude de la couronne solaire
extension vers la physique stellaire (et au-delà): technique d'observation destinée à cacher une source dont le rayonnement comparativement excessif empeche de voir des sources faibles angulairement proches
6reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
coronographie "solaire"
fin des années 30pic du midi
satellite "soho"instrument LASCOLagrange L2mai 99 -et au delà
Bernard Lyot
hot news : voir ecole corono solaire, Beaulieu, oct 2008
7reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
corono stellaire, contexte science : pb posé "voir autour"
exemples de motifs voisins
a aa
a
I(a) objet central : ponctuel sur l'axe de visée
notre cible type sera : étoile mère + compagnon (ponctuels)bien sûr, plus précisément on pense à : étoile + planète
cible scientifique typique : objet central et motifs voisins
8reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
contraintes "mission"science et contraintes associéesou cahier des charges scientifique
9reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
contraintes "science" : cahier des charges scientifique
dynamique photométriquepouvoir gérer de grands écarts de brillance( rapports de flux : étoile /compagnon)
résolution angulairepouvoir distinguer deux sources angulairement très proches(séparer leurs images, résoudre le couple)
sensibilité photométrique et exploitation spectralepouvoir enregistrer des flux très faibles
grands, proches, faibles ? ça veut dire quoi ?
des nombres !!!
cas limite : détection d'exoterreset recherche de signes de "vie"
objectif moyen : environnement stellaire faiblement emissif
10reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
dynamique photométrique
exoplanètes de type "Terre"exoplanètes de type "Terre"
en IR, : millions 10en IR, : millions 106 6
en visible : des milliards en visible : des milliards 101099, 10, 101010
exoplanètes de type "Terre"exoplanètes de type "Terre"
en IR, : millions 10en IR, : millions 106 6
en visible : des milliards en visible : des milliards 101099, 10, 101010
9 6
compagnons faibles, exoplanètes de types Pegasides "Jupiters chauds" 104, 105
paramètre clef : rapport Rflux = flux étoile/flux compagnon
11reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
résolution angulaire
1 arcsec
1 U.A.
1 parsec 3 A.L.obs
O.1 arcsec
1 U.A.
10 parsecobs
O.01 arcsec = 10 marcsec
1 U.A.100 parsec
obs
1 arcsec : 5.10-6 raddiametre angulaire d'un petit pois placé à 1 km
critère de Rayleigh : la séparation angulaire accessible est > /DiamTel
m 0.6 2.2 11
D requis (en m)pour 0.01 arcsec
10 40 200
plutôt le domaine de l'interferometrie
12reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
sensibilité photométriqueexemple : Terre Soleil à la distance d = 10 psc (environ 30 AL ou 3.1017 m )
raccourci : 106 en rapport de flux écart en magnitude 15109 en rapport de flux écart en magnitude 22 à 23
Pterre() = 10-n .Stel..transm. [flux solaire àet à 10 psc]
visible n = 9, ir thermique n = 6
Msoleil(V) = 4.8 T 5700 K = 10-2 rad
vis = 0.55 m vis = 0.087 m ir = 10.2 m ir = 4.33 m
telescope diam 10m (100m2) diam 3.6m (10m2)
Nbre photons/sectelescope
D (m) S (m2) exoterreSoleil à 10 psc
V N V N
10 100
103.6
1010 1.5 109 10 1500
1 150109 1.5 108 maisattentionrayonmntatmosph
13reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
la réponse technique au cahier des charges scientifique :
Imagerie à Très Haut Contraste (ITHC ou parfois ITHDynamique)
paramètres "clef"rejection = energie collectée/résidu d'energiesondage proche (close-sensing ou IWA : Inner Working Angle)transmission pour le compagnonbande spectrale (Rapport Signal à Bruit)
14reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
réponse pour la dynamique requise
deux approches :
1. apodisation (éliminer les pieds)
2. rejection sur l'axe (éliminer la contribution de l'étoile)
une autre façon, un peu spéciale :empecher les photons stellaires d'entrer dans le telescopeon y reviendra
et tout ça : à large bande spectraled'où besoin : achromatisme des processus de rejection
15reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
intensité
0.001
0.01
0.1
1
log profil I()
/D
profil I()
la planète peut se trouver par ici.
Pas bon ça !!elle est noyée
si la planète est par icion a des chances de la "sortir"
apodisation : casser les pieds, pourquoi ?
16reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
réjection sur l'axe (et un peu autour)
solution: " éteindre" l'étoiletrou dans le ciel sur la direction de visée! on fabrique une carte de transmission qui rejète la contribution stellaire (rejection)la dynamique de la caméra est libérée pour sortir la planète du bruit
Dyn
pb de l'imagerie conventionnelle : la camera a une dynamique donnée (disons 10^5 niveaux)et un bruit de fond donné (qqs niveaux)
la contribution stellaire ne permet pas de laisser apparaitre la planete hors du bruitl'étoile mange toute la dynamique
T
Corono
c'est la coronographie "pur jus"
17reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
corono : faire un trou dans le cielpour y mettre l'étoile (carte de transmission rejectante)
?mais comment trouer ?
et quelle importance ?
tendre vers une zone de rejection à bords nets et aptitude à percevoir un compagnon proche
ciel
transmission1
tmax
Leffective
Leffective : extension du trou dans le ciel (petit = mieux)on dit aussi Inner Working Angle
ciel
transmission
raideur du profil
raideur : important pour cacher l'étoile sans fuite (leakage)et pour avoir transmission max très proche de l'axe
en gros c'est entonnoir, bol ou bassine
18reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
contraintes : réponse "technique" / demande "science"
sciencedynamique photometrique Rflux
résolution angulaire,sondage proche
sensibilité photometrique
technique
Rejection R(rejection,extinction)R = T1/T0
+ achromatisme
profil transmissionet IWAInner Working Angle
forme, largeur et profondeur du trou dans le ciel
transmission pour la planète T1 max
temps d'intégration(stabilité du "trou"R doit être stable)
T1 = T(> IWA) flux collectéT0 = T( =0) flux atténué
T(
( ciel)
1
IWA
T1
T0
19reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
contraintes techniques : performances requises
le rêve c'est quand :R est très grand ( disons 10n )IWA est très petit ( disons 0.001 arcsec)Tplanete = 1, le max quoi !
le bonheur c'est quand :
planeteflux F
*FRR
angulaireséparationIWA
1deprocheTplanète
bonheur ++ :
tout ça réalisé sur un intervalle spectralle plus grand possible
les performances requises dépendent de la cible
20reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
rappels sur principe
( instrumentation )
21reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
quelques concepts instrumentauxpour la rejection "on-axis"
d'autres répartitions / classifications existentvoir bibliographie : Guyon et al. ou Aime et al. ou d'autres encore
de toutes façons les contours des boites ne sont pas netstout ça se mélange et il y a des hybrides
une répartition occulteurs externes apodiseurs masque focal opaque (Lyot conventionnel) coronographes nullers (masque matériel ou masque virtuel)
nulling interferometry
22reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
occulteurs externes : la lumière ne passera pas !
BOSS : Big Occulting Steerable SatelliteUMBRAS : Umbral Missions Blocking Radiating Astronomical SourcesNew World Occulter (on apodise aussi)
distances occulteur-telescope : milliers de km
23reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
Lyot stellaire conventionnel _ 1
on corrompt le télescope pour en faire un coronographele coronographe fait un trou dans le ciel dans lequel tombe l'étoile visée
exemple fondateurcoronographe de type "Lyot", masque opaque dans plan image
24reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
Lyot stellaire conventionnel _2
material mask
peripheraldiffracted light
Lyot stop needed
Attention : diffraction
Lyot stop
Lyot mask
25reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
Lyot stellaire conventionnel _3Lyot cache plusieurs rayons d’Airy (typiqmnt 5 à 10 fois /D)les planetes sont à l'interieur de cette zone aveugle (IWA)
26reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
qqs concepts instrumentaux
Coronographie Interférentielle
les coronographes de type "nuller"
trois exemples parmi d'autres
principe commun :ça splitte à tout va ! et interferences destructives
27reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
qqs concepts instrumentaux
CIACoronographe Interférentiel Achromatique
c'est un coronographe de type "nuller"avec division d'amplitude
division de front d'ondemasque à ouvertures
division d'amplitudeseparatrice (beamsplitter)
Gay & Rabbia, 1996, CR Acad. Sc.
28reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
CIA_principe_1
fondement : focus crossing propertydephasage achromatique de pi par passage au foyer
CIA = nuller; réjection sur l'axe par interférences destructives
A
A
A
Aperture
Split
-Rotate and -phase shif t
Recombine
Skyopd adjust
A
AA
A
A
Aperture
Split
-Rotate and -phase shif t
Recombine
Skyopd adjust
A
A
)(.. ieA .)('. .. ii eeAF
flat-flat
cat's eyeinput
bright output nulled
output
29reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
CIA principe_2
marche des faisceaux et effet coronographique "on-axis"
incident "on-axis"
sortie constructive
sortie destructive
30reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
CIA principe_3
splitphase shiftpupil rotation
ffce
"ce" pour cats'eye"ff" pour flat flat
fronts d'onde et amplitudes complexes dans CIA
recorded intensity
+recombination
input pupil output pupil
ff
ce
31reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
CIA principe_4
off-axis / on-axis : to be or not to be ( in image plane)
0.5
4 2 0 2 4
1
0
Airy radius
field coordinate (unit: Airy radius)
spat
ial r
espo
nse
réponse spatialeoucarte de transmission
profil radialsymetrie circulaire
32reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
assemblage
combinaison adherence moleculaire et collagesous controle interférométrique
chemins optiques (presque) figés
SiO2SiO2
CIA physionomie
33reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
interféro- coronographes : contraintes
ddm nulle (et stable), ilustration CIA
pas de déséquilibre photometrique voie 1 / voie 2
pas de polarisation differentielle voie 1 / voie 2
CIA : contrainte supplémentaireamplitude complexe entrante : centro-symetrique contrainte induite par retournement de pupille
OPD = 0
OPD
I ( ,OPD)
image ofcompanion
weighted contributionof on-axis source
OPD
I ( ,OPD)
image ofcompanion
weighted contributionof on-axis source
OPD
34reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
qqs concepts instrumentaux
PMC : Phase Mask CoronagraphRoddier & Roddier, 1997, PASP
à la fois corono à masque dans le plan image et nuller (avec "splitting et déphasage par le masque)
image
voie2
S
Rvoie1
35reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
Phase Mask Corono principe
similaire à Lyotmais masque différent :il introduit un déphasage de sur une partie de la PSFCette partie interfère doncdestructivement avec l'autre
4 2 0 2 41
0
1
0
0
4 2 0 2 41
0
1
profil de transmissiondu masque
le rayon de la zone dephasante est calculé pour quel'energie résiduelle dans le diaphragmme de Lyot soit minimale
x
onde plane : objet ponctuel sur l'axe
Lyot stop
36reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
phase mask coronagraphy
input pupilla
output pupilla
phase mask
incoming complex amplitude
transmitted complex amplitude
close-sensing : about one Airy radius
0
0
00
37reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
qqs concepts instrumentaux
SMC : Sectorized Mask CoronagraphRouan et al., 2000,
comme pour le PMC
c'est à la fois un corono à masque dans le plan image et un nuller image
voie2
S
Rvoie1
38reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
SMC_ principe
ondes planes incidentes : objet ponctuel sur l'axe (étoile)objet ponctuel hors d'axe (compagnon)
0
0
l'onde incidente "on-axis" est distribuée sur 4 voies("splitting" par le masque dans le plan image) un couple diagonal de quadrants introduit un déphasage de l'autre couple n'introduit pas de déphasage,
x
pupille
image
x
pupilleimage
lentille
Lyot stop
à la recombinaison, (plan pupille) l'interference est destructive : exit la source on-axis ! l'onde incidente "off-axis" n'est pas partagée, il n'y a pas interférenceson energie est transmise vers le dernier plan image
39reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
SMC_ une approche technique émergente : les ZOGZOG : Zero Order Gratings ou réseaux sub-lambda
le masque n'est plus un assemblage de lames mais un assemblagede réseaux sub-lambda. Le processus physique sollicité est la biréfringence de forme (action sur les polarisations)
Dimitri Mawet et al., Coronagraph workshop, Pasadena, September 2006
0
0
40reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
nulling interferometry (interf annulante) juste un aperçu de principe
mais pourquoi ? pourquoi ? pourquoi ?pourquoi encore de l'interferometrie ?
2 telescopes = 1 telescope +1 telescope1 interferometre = 2 telescopes + avoir des franges + un wagon d'emm.
masochisme ? (oui , un peu tout de même)
interférometrie parce que on veut la detection directe de la planète ( Rejection, HRA) on veut detecter des exo terres ( Rejection, sensibilité photom) on veut y chercher des signes de "vie" (comme la nôtre) (achromatisme)
satisfaire à tout ça demande de l'interférometrieon reviendra sur ces points après quelques brefs rappels
41reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
detections : indirecte / directe
detection indirecte
la planète est révélée par ses effets sur la lumière issue de l'étoile-mère(mvt propre, velocimetrie, transits, micro-lentille gravitationnelle)
détection directe !
on veut avoir la lumière qui vient de la planète elle même !!
et elle seulement !d'où le besoin de rejection et de sondage très proche
42reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
rappels : basics pour interfero stellaire
but de l'interf stellaire : déterminer distribution angulaire brillance O()et / ou determiner la séparation angulaire de deux composantesrestriction : on determine seulement des parametres d'un modèle de O()
stratégie : chercher info dans l'espace de Fourierdéterminer le spectre spatial de O()
deux clefs-outils : theoreme de Van Cittert & Zernike, degré de coherence TF( O() )
interferometre = mesureur de
une autre façon (un peu abusive) de décrire la fonction de l'interféromètre :
l'interféromètre projette sur le ciel une sorte de grille ce lobe "frangé" interroge la source sur son spectre spatial
cette grille est de transmission sinusoidale, alternance d'interférences constructives et destructivesconstructives sur l'axe
le pas de la grille est /B
B
43reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
oui, mais ......le spectre spatial
ici, c'est pas notre problème !
et la séparation on la connait ! !(enfin, ..... on en a une évaluation )
notre pb c'est la détection directe d'un compagnon
voir le compagnon (planète)sans être ébloui par l'étoile mère
good grief !
44reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
nulling interferometry versus coronagraphyEn coronographie ( un télescope) on risque d'éteindre
étoile ET planète (trop proche) IWA Airy /Diametre
la finesse du sondage ( /Base) donnée par l'interféromètrepermet de sauver la planète
En nulling interferoau lieu d'un trou , on projette une fine grille (une affaire de cohérence)
45reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
nulling interféro ?en substance
l'interféromètre sert essentiellement à fabriquer par interférences destructives une carte de transmission qui va bien
on se sert de cette carte comme d'une passoire qui laisse passer les photons planétaireset bloque les photons stellaires
nulling interferometry is butphotometry through a sift !
utterly null !
provoc ?
46reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
ajoutons le nulling à l'interferomètre
R
Rinf o codée
telesc 1
telesc 2
on ajuste B pour avoir /2B = séparation etoile-planete
note : on sait des choses sur la séparation etoile-exoterre(zone d'habitabilité)mais cette separation varie avec le mouvement orbital ! ! so what ?
reponse : modulation spatialeout of the scope of the present talk
47reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
une mission requerant la nulling interfrecherche de la vie sur des exo-terres : ESA-Darwindeux étapes
1. detection directe d'exo-terres autour d'étoiles "proches"on veut avoir les photons de la planète
2. spectroscopie pour avoir la signature des bio-traceurs raies d'absorption par l'atmosphèrede l'exoplanète
caillou caillou
atmosphère
do it yourself
48reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
les bio-traceurs qui vont bien
bio-traceurs sélectionnés : H2O, O3, CO2
Venus
Terre
Mars
Ozone
H2O CO2
H2O
6 8 10 12 14 16 18
longueur d'onde (micron)
puissance
domaine spectral retenu : infra rouge thermique exemple : 6 - 18 microns
O3
49reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
résumé : Darwin contraintes "science"objectif : detection directe et spectroscopie des exo-terres
signatures de l'activité biologique (biochimie carbone)
separation angulaire (etoile_planete) très petite (0.01 arcsec)
rapport (flux*/flux planète) effroyablement grand (> 10^6)
infrarouge thermique, bande large ( 6-18 m)
techniques "nulling"
interferometrie
choix ESA : nulling interferométrie en IR thermique choix ESA : nulling interferométrie en IR thermique
50reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
principe : un tout petit peu de maths_1
à la base : interférences destructives
avec 2 voies (corono, interf 2 telescopes)créer un dephasage de achromatique entre les deux voies
avec plus de 2 voies ( N telescopes)créer sur chaque bras interferometrique le bon dephasage(hors de cet exposé, voir par exemple : Rabbia, Ecoles ITHD - tome 2
algèbre basique du processus à deux voies ))(.iexp(.)()( 111
))(.iexp(.)()( 222
R
Voie 1,
Voie 2,
51reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
principe : un tout petit peu de maths _2
recombinaison on-axis ideale )()()(.e)( .i 2121
si alors : aucun photon en sortie
cas non-ideal : ça fait pas zero photon en sortie, (résidu de non-extinction)
deux aspects
)()( 21
on a pas mais( qq chose) , exemple
on a et là encore plusieurs aspects à voir
les photons stellaires ne sont pas tous éliminésd'où photons planétaires plus difficiles à extraire
)()( 21 )()( 21
inégalité d'amplitude (intensity mismatch) polarisations non identiques (polarisation mismatch) defauts de surface d'onde non identiques (phase mismatch)
52reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
bref retour vers scienceintérêt des techniques de "nulling"versus interferometrie classique
53reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
contexte actuel
l'interférométrie fait des merveilles et produit en routine, des résultats importants voire spectaculaires
mais.....
elle ne fait pas encore, sauf exception, des images et approche la morphologiede façon indirecte et partielle .
L'outillage courant combinedes points de visibilitédes phases de cloturel'exploitation de l'information spectrale
elle souffre d'une limitation (parmi d'autres) touchant : l'accès à des motifs environnants faiblement émissifstypiquement 10-4 du flux stellaire (10 magnitudes)
correctif:des possibilités d'imagerieont déjà donné des résultats
54reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
illustraton un peu brute : compagnon faible
l'amplitude des oscillations provoquées par la présence du compagnondépend de l'écart en magnitudeentre étoile et compagnon
pour un rapport de flux (compagnon/etoile) = 10-4, cette amplitude est inférieure à 1%, limite typique de la précision accessible pour les visibilités
V() étoile simple
étoile + compagnon
rappel : 10-4 10 magnitudes
55reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
apport des techniques de nullingnulling interferometrie
coronographie
photons du compagnon, ( situé "qq part" autour de l'étoile). résolution angulaire (capacité à avoir"qq part" angulairement très proche (/B)
localisation de "qq part" possible mais pas immédiatm élevé, et augmenté par l'emploi de fibres optiques (filtrage spatial)
photons ET position du compagnon ( "ici" et non pas "qq part") résolution angulaire : faible versus nulling interf. (/D)m élevé mais non ameliorable par fibres (sauf ...)
tout cela à moduler selon cible et domaine spectral
56reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
limitations
difficultés et contraintes techniques
évaluation de performances
57reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
limitations de principe ( concept instrumental)
résol angulaire ( IWA ) à donnéCORONO : limité par diametre telescope (Airy =/ D)
Lyot 5 Airy, PMC et SMC (1 Airy) CIA ( < 1 Airy)NULL INTERF : limité par distance entre collecteurs
Darwin : 20 à 500 m contrepartie négative : IWA petit grande sensibilité au dépointage
transmission compagnon :dépend de la configuration optique :
plus complexe moins bon
rejection : contraintes instrum très sévères (voir après)SOL : requiert optique adaptativeESPACE : requiert stabilité configuration (flottille)
achromaticité : directement dépendante du concept
58reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
achromaticité
bande spectrale
idéal :
bande spectrale
réel :
max
222maxresid )()()(Energie
amplitude et énergie résiduelle (rejection incomplète)
)(.i))(exp())(.iexp()(resid 11
pour R > 106 il faut rad3max 10
21
1
1
maxd.)(Energie
R
R
1max
59reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
difficultés et contraintes techniques
réalisationqualité optique des composants traitements de surface (optical coating)contraintes opto-mécaniques
assemblage
réponse aux conditions environnementales
contraintes opératoires
techniques et outillages spécifiques et délicats(exemple : adherence moleculaire et controle interferometrique)specifications très exigeantes ( positions, orientations et alignements)
conservation des réglages à la mise en froidsensibilité minimale aux vibrations
voir diapo suivante
60reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
contraintes opératoires
pour assurer Energie Residuelle < 1/R, pour R = 106
par recombinaison de deux sous-ondes déphasées de
Intensity matching : intensités égalisées avant recombinaison I / I < 10 -3
Polarisation matching : polarisations alignées avant recombinaison à < 10 -2 rad près
alignement : polarisation / plans d'incidencetypiquement moins de 5 arcsec
qualité de front d'onde à la recombinaison (nulling)
defaut 633nm/20 rms (30 nm) en présence de fibres,
sinon : extrêmement plus exigeant ( nanometre)
61reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
évaluation de performances
performance = rejection rejecton = energie collectée / energie residuelle
Integration de l'eclairement "teinte plate",en sortie de recombinaison
on compte des photons
si energie-compagnon (planete) > 1/Rejectionalors detection possible
Recomb
le critère "rejection" (eclairement integré) est un raccourci donnant globalement une qualité d'extinctionmais ne refletant pas forcément la capacité de détectioncritère non pertinent (et pessimiste)
nulling interfero : un critere brut mais pertinent
coronographie : pas si simple
62reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
performance coronographique
la distribution d'energie residuelle dans l'image coronographée n'est pas uniformeil y a le profil moyen (integration temporelle) du bruitil y a des residus permanents (speckles fixes)
la capacité à detecter depend de la position du compagnon dans l'image
le bon critere n'est plus une affaire d'energie integrée
le bon critere doit se fonder sur une cartographie des residusou du Rapport Signal à Bruit en detection
meilleur RSBRSB faible
speckle noise
photon noise
background noiseread out noise
les bruits
63reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
corono performance : représentations et terminologie
profils en mde compagnon detectableà RSB donné
m
échellelog
coord angulaire (Airy, / D)
dans l'image
0
12
CCCORO
cartographiede la distributiond'energie residuelle
energie normalisée
échelle log
coord angulaire (Airy, / D)dans l'image
contrastelocal ( )
attenuationlocale ( )
1
profils d'energie (collectée, résiduelle), distribution à symetrie de révolutionsinon moyenne azimuthale
64reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
exemples
Darwin et CIA
65reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
concept recent pour Darwin : Emma (Lady Darwin)
anciens concepts
66reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
situation Darwin
cosmic vision oct 2007 decision ESA Darwin pas selectionné pour lancement 2020mais decision de continuer les etudes R&Den particulier projet Nulltimate ( consortium : IAS pilote, OCA, Thales, Max Planck, Univ Bourgogne,Univ Liege,..)
et nouveau départ "from scratch" avec comité : ESA-NASA
Nulltimate : mise en opération d'un banc de nulling de 2 à 10 micronspour tester trois concepts d'Achromatic Phase Shifter (phase shift)
OCA en charge de APS focus crossing (passage au foyer)systeme réalisé dans les specs.
67reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
APS tests en labo contrat ESA : Nulltimate-Darwin
consortium Europeen, pilotage IAS Orsaybanc de test pour 3 types d'APS
0
DL
DL
0
DL
DL
in
out
in
out
exemple avec focus –crossing (OCA)
68reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
avant nulltimate : banc synapse à 2 et 3.5 microns
jusqu'ici les performances du banc seul sont
10^5 avec laser 3.5 micron3000 avec source bande thermique , bande large; limitations inexpliquées, malgré nombreux essais
les performances avec APS –focus crossing sur le bancsont identiques, la limitation semble venir du banc lui-mêmeAPS donne au moins 100 000 en rejection avec laser
actuellement banc Synapse est abandonné banc Nulltimate ( 2 m à 10 m) en cours d'implémentation puis de tests
financement contrat ESA : terminé fin décembre 2008
69reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
situation CIA
passé récent : gros changement, source Leukos (SIRIUS)ponctuelle et puissante, meme en IRamélioration mais nouveaux défauts révélésamélioration aussi avec obs combinées ( filtres K1 et K2)
contraste à 2 Airy's : voisin de 3000 ( à confirmer)
0 1 2 3 4 5 6-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
log(1/R)
coord image (Airy)
coro / non coro
MAIS necessité et urgence de publier, d'où mise en veille des efforts sur la manip
passé proche : croissance progressive des performances en rejectionmais valeurs considérées comme invendables (500, 600)malgré large bande spectrale (bande K : 2.2 m ; 0.4 m)limitations : certaines expliquées, autres pas claires
passé historique: test CIA sur le ciel, Hawaii
first Airy dark ring
companion
70reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
illustration pour implémentation CIA
71reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
CIA banc d'essai : schéma simplifiésource : corps noir 1500 Kpuis source LEUKOSavec fibre
laser He Ne
plan
diaphragmmepupille sortie
diaphragmmebaffleur
caméra IR
CIA
collimateur
filtres K,K1,K2
faisceau incident
ajustement ddm
72reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
vocabulaire
un nouveau nom pour CIA ?
SHADOCK : Systeme Hautement AffligeantDeveloppé pour l'Observation Coronographiqueen bande K
Jean Gay Astronome émériteYves Rabbia Astronome Jean Pierre Rivet CNRS ( Cassiopée)
73reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
fin du supplice
prière aux survivantsde relever les autres
merci pour votre attention
74reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
75reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
reserve
76reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
separation connue, OK, comment ?
on cherche planete dans zone d'habitabilité (eau liquide, T = 300 K)on connait donc Tp = 300 K on connait aussi d*, T*, R*
situation stable : Puissance collectée = Puissance émise
T*d*d
d
planèteplanèteplanèteétoile TRRd
L 4222
...4...4
on peut donc tirer d, et avec d* on a la séparation angulaire pas si simple, car albedo planete, mais... bon
77reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
comment répond le filtre "interféromètre" ?
source = dirac décalé
).2
.2
.exp()(1 B
i ).2
.2
.exp()(2 B
i
)..
2cos(1.2
2
21 B
)()( O
champs incidents B
dirac
réponse
une interprétation :l'interféromètre projette sur le ciel une grille sinusoidalele pas de la grille est /B
ce lobe "frangé"interroge la source
78reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
interféromètre et transmissionpour un couple de Diracs, on peut voir les choses autrement
..
2B
2
21
)..
2cos(1..2)(
BR
étoile ( = 0) : contribution permanentecompagnon : contribution dépend de
R()
l'interféromètre projette sur le ciel un profil de transmission
transmission
/B
79reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
recombinaisons en "nulling"
modes de recombinaison (rien à voir avec la carte sur le ciel)
Recomb
ici, on ne change rien
c'est ici que ça se passe
80reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
Bracewell : franges unidirectionnelles
où est la planète ??
on a "une évaluation" de la séparation angulaire [étoile-planète]et on ne connait pas forcément bienson mouvement orbital
Il est donc nécessaire de pouvoir explorer de façon isotrope autour de l'étoile
pour cela faire tourner l'interféromètre autour de son axe de visée
pas très commode : lent, consommation d'énergie
?
?
81reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
Bracewell : contamination du signal
avec Bracewellmodulation du signal planétaire par rotation de l'interféromètre
mais on module aussi exo-zodi
signal
temps
pezz
instrum
82reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
modulation sans rotation de l'instrumentune vision simpliste "avec les mains"
deux "Bracewell", avec bases perpendiculairesdeux cartes frangées perpendiculaires mélangées
mais on module aussi exo-zodi !
il faut discriminer planète /exo-zodi
modulation interne : pas de rotation de l'instrumenton a gagné en rapidité de modulation (détection)et l'instrument consomme moins d'énergie
dephasage périodique de entre les deux sorties : on inverse la grille sur une sortie, on ne touche pas à l'autrel'axe reste sombre (étoile rejetée) et la planète est modulée
83reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
difficultés, limitations, avantages, performancesdans un monde idéal
exemple avec SMC (image Aime+Soummer, merci)
l'obstruction centrale
perturbe l'action des masques
et ramène de l'energie dans la pupille (sauf Lyot et CIA)
limitations de principe : obstruction centrale et structures de soutien
x
84reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
contraintes opératoires : monde réelau sol on souffre de la turbulence atmosphérique
qui distort la surface d'onde et la fait basculer, de façon aléatoire (r0 et 0 )*
ce qui dégrade l'image par étalement et "speckles" et ce qui provoqueune instabilité de position
DD
r0
* r0 : zone "plate" des distorsions (10 cm à 50 cm en visible) : plus petitplus méchant
0 : durée typique d'une réalisation aléatoire ( 1 ms à 20 ms en visible) idem
compensation des distorsions : indispensable !!optique adaptative requise !!sinon cohérence des sous-ondes perdue et l'interféro-coronographie ne marche plus !
85reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
importance du profil d'energie residuelle
profil d'energie résiduelle : Nres()
la capacité de détection dépend de la position du compagnon dans le plan focal
detectivité : l'energie residuelle n'est pas génante en elle-même, c'est le bruit qui l'accompagne qui nous embête
dtNSignal comp .)(.)()(
RSB =
))((.)(()( compres NHNVARBruit
86reunion ESOM dec 2008 NEC YRabbia
contraintes ( défis ) techniques
interferometrie : vol en formationcontroler positions des telescopes à qqs millimètresequilibrage fin, dans le recombiner, à qqs nanometres
évacuer la contribution de l'étoile (10^6)
nulling : dephaser de à toutes les longueurs d'onde
rayonnement matiere exo zodiacaleplanete immergée dans disque (?) extraction signal noyé dans bruit : modulation requise
à toutes les longueurs d'onde
le coeur de la manip : Achromatic Phase Shifters